Thema des Tages

Von der Radarreflektivität zur Regenrate

Vielleicht haben Sie es auch schon einmal gemerkt: Radarsignal ist 
nicht gleich Radarsignal. Auch wenn sich die Radarsignaturen auf 
unseren Bildschirmen gleichen, kann unterschiedlich viel Niederschlag
am Boden ankommen. Doch wieso ist das so?

Seit einigen Jahren gibt es Wetter-Apps wie bspw. auch die 
WarnWetter-App des Deutschen Wetterdienstes. Mit diesen Apps können 
Nutzer selbstständig unter anderem das Regenradar im Blick behalten, 
um abzuschätzen, ob sie in nächster Zeit von oben nass werden oder 
nicht. Dennoch ist die Interpretation dieser Radarbilder nicht immer 
ganz einfach. Häufig gibt es tatsächlich Fehlechos, die bspw. durch 
Vogelschwärme, Insekten, Schiffe, Berge oder Windkraftanlagen 
entstehen. Auch der sogenannte "Brightband-Effekt" wirkt sich auf das
Radarbild aus (siehe DWD-Lexikon). Des Weiteren kann starker Regen 
unter anderem zur Abschattung der Radarkuppel führen, wodurch das 
Radarsignal gedämpft wird. Auch Super-Refraktion, wenn der 
Radarstrahl aufgrund bestimmter atmosphärischer Bedingungen nach 
unten gebogen wird, bedingt Fehlsignale (siehe Link zur 
Qualitätssicherung von Wetterradardaten). All diese 
Beeinträchtigungen lassen sich mit einem geübten Auge sehr gut 
erkennen und teilweise auch durch automatische Verfahren 
"herausfiltern". 

Was uns Meteorologen weltweit häufig aber große Schwierigkeiten 
bereitet, ist die Umrechnung der Radarreflektivität (siehe Thema des 
Tages "Der deutsche Radarverbund - Teil 2" vom 19.08.2021) in eine 
Niederschlagsintensität, also wie viel Regen in welcher Zeit am Boden
ankommt. Das Radarsignal kann nicht einfach in eine Regenrate 
umgerechnet werden, denn es ist - um es einfach auszudrücken - von 
der Wetterlage sowie den Wolken- und Niederschlagsarten abhängig. 
Besonders deutlich wird dies bei den sogenannten 
"Warmer-Regen"-Prozessen im Vergleich zu Landregen, bei dem die dicke
Regenwolke (Nimbostratus) bis in Atmosphärenschichten mit deutlich 
negativen Temperaturen (< -10°C) hinaufreicht. "Warmer Regen" oder 
auch "tropischer Regen" bildet sich nämlich in tiefen Wolken, in 
denen die Temperatur um bzw. über 0 Grad liegt. Bei der 
Niederschlagsbildung sind also keine Eispartikel involviert. Das 
heißt, dass das Tropfenspektrum eine hohe Konzentration kleiner und 
mittelgroßer anstatt großer Tropfen aufweist. Die gängigen 
Dopplerradare unterschätzen bei "Warmer-Regen"-Prozessen die 
Niederschlagsraten teilweise recht deutlich. Das liegt einfach gesagt
daran, dass eine spezielle Beziehung von Radarreflektivität 
(Radarsignal, Z) zur Regenrate (R) Anwendung findet. Diese 
Z-R-Beziehung wird mit der Gleichung Z=a·Rb (in Worten: Z ist gleich 
a mal R hoch b) ausgedrückt, wobei a und b Konstanten sind, die vom 
Tropfenspektrum des gemessenen Niederschlags abhängig sind. Die 
Z-R-Beziehung besagt, dass Reflektivität und Regenrate in einem 
bestimmten Verhältnis zu einander stehen, dass also bei gleicher 
Reflektivität immer dieselbe Regenrate herauskommt. So 
unterschiedlich, wie die Wolken und die Luftmassen sind, so 
unterschiedlich müssten aber auch die verwendeten Z-R-Beziehungen 
sein. 

Im Grunde ließen sich in den vergangenen Jahrzehnten viele 
verschiedene Z-R-Beziehungen durch Experimente finden. Die im 
Radarverbund des Deutschen Wetterdienstes angewandte vereinfachte 
Z-R-Beziehung lautet bspw. Z=256·R1,42 (Z ist gleich 256 mal R hoch 
1,42). Meist werden Konstanten verwendet, die einen Kompromiss 
zwischen stratiformen (Landregen) und konvektiven (Schauer/Gewitter) 
Beziehungen darstellen. Neueste Radarprodukte des DWD verwenden 
mittlerweile reflektivitätsabhängige Z-R-Beziehungen, die auf der 
einen Seite Niederschlagshöhen reduzieren, die durch Konvektion 
hervorgerufen werden, und auf der anderen Seite größere Regenraten 
berechnen, die in einem stratiformen Regengebiet (Landregen) 
auftreten. Dennoch reichen die verwendeten Z-R-Beziehungen nicht aus,
um die realen Regenraten bei jeder Wetterlage einhundertprozentig 
genau abzubilden. Sind bspw. tropische Luftmassen im Spiel (sehr 
feucht, stratiform UND konvektiv geprägt), wie häufig zwischen 
Frühjahr und Herbst aufgrund der an Land ziehenden Hurrikans im Süden
und Südosten der USA, sollte die Niederschlagsintensität eher über 
die Z-R-Beziehung nach Rosenfeld berechnet werden. Die dem Thema des 
Tages beigefügte Abbildung 1 zeigt die Beziehung des 
Reflektivitätsfaktors (Z) zur Regenrate (R) für fünf verschiedene 
Luftmassen (durchgezogene Linien) sowie den schattierten Bereich, der
die Z-R-Beziehungen umfasst, die in weiterer wissenschaftlicher 
Literatur gefunden wurden. Allein der Unterschied, der sich zwischen 
der Z-R-Beziehung von Marshall-Palmer (blau) und der von Rosenfeld 
(pink) ergibt, ist erheblich. Bei Reflektivitäten (y-Achse) von 50 
dBZ resultieren bspw. mit der Z-R-Beziehung von Marshall-Palmer knapp
50 Liter Niederschlag pro Quadratmeter und Stunde (Regenrate 
dargestellt auf x-Achse), wohingegen mit der Z-R-Beziehung von 
Rosenfeld das dreifache, also ca. 150 Liter pro Quadratmeter und 
Stunde herauskommen, was in tropischen Systemen durchaus realistisch 
ist.

Nun ziehen selten Hurrikans über Deutschland hinweg, könnte manch 
einer sagen. Und doch lässt sich anhand des hierzulande ebenso 
auftretenden "warmen Regens" die Diskrepanz gut verdeutlichen. Das 
Problem bei den "Warmer-Regen"-Prozessen ist, dass sich die Wolken 
mit "warmem Regen" üblicherweise in den untersten 1 bis 6 Kilometern 
der Troposphäre bei positiven Temperaturen bilden. Natürlich befinden
sich oberhalb dieser Wolken weitere Partikel, die dann bei mit der 
Höhe abnehmenden Temperaturen mehr und mehr den gefrorenen oder 
unterkühlten Zustand annehmen (flüssige Wassertröpfchen können in der
Atmosphäre bis ungefähr -38 Grad auftreten). Allerdings sind 
"Warmer-Regen"-Prozesse sehr effektiv. Heißt also, dass in der eher 
schmalen Wolkenschicht sehr viele kleine und mittelgroße 
Wassertropfen einen hohen Flüssigwasseranteil ergeben. Schaut ein 
Radarstrahl nun vom Boden in die Atmosphäre, "sieht" er erstens nur 
einen geringen Anteil der Wolke, und durchdringt zweitens die 
untersten Kilometer, in denen sich die Wasserwolke befindet, sehr 
schnell. Im Vergleich zu einer in der Atmosphäre hochreichenden 
Mischphasenwolke wird der Radarstrahl dann über einen längeren 
Zeitraum hinweg an Wasser- UND Eispartikeln zurückgestreut, die 
durchaus in geringerer Menge vorhanden, aber in der Regel viel größer
sind als die Wassertröpfchen, die beim "Warmer-Regen"-Prozess 
involviert sind (siehe Abb. 2). Da die Reflektivität (Z) proportional
zur 6. Potenz des Partikeldurchmessers ist, zeigt sich hier schon das
Problem: Tropfen mit einem großen Durchmesser erhöhen die 
Reflektivität um ein Vielfaches im Vergleich zu kleinen Tropfen. 
Obwohl die Reflektivität in beiden Situationen gleich sein kann 
(bspw. 40 dBZ), wird sich die Regenrate deutlich voneinander 
unterscheiden. Einfach gesagt ist dann der Flüssigwasseranteil im 
ersten Fall schon in den untersten Kilometern der Atmosphäre deutlich
höher als im zweiten Fall im gesamten vom Radarstrahl erfassten 
Volumen. Vergleicht man die Regenrate die aus der im DWD 
gebräuchlichen Z-R-Beziehung bei 40 dBZ resultiert mit der 
Z-R-Beziehung von Rosenfeld (tropische Luftmasse), so ergibt sich als
Unterschied ein Faktor 2. Anstatt ca. 10 Liter pro Quadratmeter und 
Stunde würden bei warmem Regen (tropische Luftmasse) ca. 20 Liter bei
gleichem Radarsignal fallen. 

Spürbar wirkt sich dieses Problem auf jeden aus, der das Radarsignal 
in seiner Wetter-App selbst interpretiert. So kann man sich ggf. an 
einem Tag, an dem eine subtropische Luftmasse wetterbestimmend ist, 
beim Regenguss wundern, dass man deutlich nasser wird als am Vortag, 
als beispielsweise noch maritime Polarluft vorherrschend war, obwohl 
sich die Radarsignale ähneln. 

Damit die Radarintensitäten in Zukunft bzgl. der Niederschlagsrate 
seltener unterschätzt werden, wird auch beim Deutschen Wetterdienst 
weiter nach Lösungen gesucht. Mit den mittlerweile fast im gesamten 
Radarverbund betriebenen Dual-Polarisationsradaren verbessert sich 
bspw. die quantitative Niederschlagsabschätzung aufgrund der 
Möglichkeit, hydrometeorbasierte Z-R-Beziehungen anzuwenden. Dies ist
aktuell aber noch Gegenstand der Forschung.


Dipl.-Met. Julia Fruntke 
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 24.09.2021

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